TWI388117B - 電源供應裝置以及電源供應方法 - Google Patents

Description

電源供應裝置以及電源供應方法

本發明係有關於一種電源供應裝置，特別係指一種應用於氬焊機的電源供應裝置。

過去為了提供一AC焊接作業，而利用一輸出耦合變壓器作為供電晶體切換網路型反相器之輸出級，以輸出變壓器之次級繞組所建立一通常為正之端點及通常為負的端點。然後，再經由利用一電感器及二電晶體基開關，如IGBTs，所組成之電路來輸出一輸出電流至電焊機之負載單元，使得負載單元得以執行焊接作業。

然而，由於在電焊機中操作的電流大，因此容易在切換的過程中，產生大電壓或突波的現象，甚至會造成輸出電流不連續的情形，進而影響到了電焊機的焊接品質。為此，如何改善電焊機的焊接品質，亦即改善電焊機的電源供應器供應電力的品質，係為目前迫切欲改善的目標。

在美國專利U.S.No.6,111,216(High current welding power supply)中提及，電焊機的電源供應器所提供的焊接電流係利用一連串的電流脈衝所產生。電流脈衝具有最大的電流程度及延續的截止狀態，而截止狀態則係電流脈衝流經電感及工作元件的電極所組成的串聯電路所引起。此電源供應器包含一換流器(inverter)、一變壓器、一整流器、一電源切換單元(power switching stage)、一電感器及一組工作元件。

在美國專利U.S.No.5,760,372(Arc welder)中提及，電焊機利用一換流器將直流電壓轉換成射頻電壓，接著再利用整流器(rectifier)整流，而直流反應裝置(DC reactor)會過濾整流器的輸出，以供應至焊接負載(welder load)。其中，直流反應裝置具有一小電感器，此小電感器允許經過直流反應裝置的輸出電流達到一穩態值。此外，由於換流器產生的射頻電壓具有高頻率，因此直流反應裝置產生的輸出電流得以承載穩態的電弧。

本發明提供一種電源供應裝置，係用以提供電源給一氬焊機使用，該電源供應裝置在輸出電流的正半週路徑及負半週路徑上分別設置一電感器，以穩定輸出電流，並且在每一個電感器上分別再並聯一個二極體，以提供一放電路徑給流經電感器的電流。

根據本發明內容所提供之電源供應裝置，包含直流電壓源、第一換流單元、變壓器、第一直流反應單元、第二直流反應單元、一橋式整流器、第二換流單元、第一電流導引單元及第二電流導引單元。

第一換流單元用以將直流電壓源所提供之直流電壓轉換成第一交流電壓。變壓器之一次側連結於第一換流單元，用以將第一交流電壓耦合至二次側以輸出一第二交流電壓。橋式整流器連結於變壓器的二次側，用以對第二交流電壓進行整流運作。第一直流反應單元與第二直流反應單元分別連接於橋式整流器的二輸出端，並且根據第二交流電壓，分別產生第一感應電流與第二感應電流。第一電流導引單元與第二電流導引單元分別並聯於第一直流反應 單元與第二直流反應單元，用以提供一放電路徑給每一個直流反應單元的感應電流。第二換流單元連結於該些電流導引單元及該些直流反應單元，第二換流單元提供一正半週期操作與一負半週期操作，係將第一感應電流與第二感應電流轉換成一輸出電流輸出至負載單元。

請參考第一圖所示，其係為本發明電源供應裝置之電路示意圖。本發明之電源供應裝置係提供電源給一氬焊機(未標示)使用，電源供應裝置包含一直流電壓源Vi、一第一換流單元11、一變壓器12、一橋式整流器14、一第一直流反應單元L1、第二直流反應單元L2、一第二換流單元16、一負載單元R及一第一電流導引單元D5、一第二電流導引單元D6。

第一換流單元11係為一全橋換流器(full－bridge inverter)，包含四個切換開關，分別為切換開關Q1、切換開關Q2、切換開關Q3及切換開關Q4，其中，當切換開關Q1至Q4間相互切換時，將直流電壓源Vi所供應的直流電壓轉換成第一交流電壓AC1，並將第一交流電壓AC1傳送至變壓器12的一次側。變壓器12的二次側則輸出一第二交電壓AC2。其中，切換開關Q1、Q4與切換開關Q2、Q3間係交互運作。

橋式整流器14為一全橋整流器，其連接於變壓器12的二次側，用以將第二交流電壓AC2進行整流運作。第一直流反應單元L1與第二直流反應單元L2都為一電感器(充放電元件)。第一直流反應單元L1連接於橋式整流器14的一輸出端，而第二直流反應單元L2連接於橋式整流 器14的另一輸出端。第一直流反應單元L1與第二直流反應單元L2會接收整流後的第二交流電壓AC2，進而分別產生一第一感應電流I1與一第二感應電流I2。

第一電流導引單元D5與第二電流導引單元D6分別並聯於第一直流反應單元L1與第二直流反應單元L2，用以提供一放電路徑給每一個直流反應單元L1、L2所產生的感應電流I1、I2。第二換流單元16連結於該些電流導引單元D5、D6及該些直流反應單元L1、L2，係提供一正半週期操作與一負半週期操作，以將第一感應電流I1與第二感應電流I2轉換成一輸出電流io輸出至負載單元R。

在輸出電流io的正半週期，第一直流反應單元L1根據整流後的第二交流電壓AC2以及第一電流導引單元D5的引導，而形成充/放電的動作，用以產生第一感應電流I1。反之，在輸出電流io的負半週期，第二直流反應單元L2根據整流後的第二交流電壓AC2以及第二電流導引單元D6的引導，而形成充/放電的動作，用以產生第二感應電流I2。

第一直流反應單元L1中第一感應電流I1的充/放電過程，將提供至負載單元R的輸出電流io過濾(smoothing)，而第二直流反應單元L2中第二感應電流I2的充/放電過程，將提供至負載單元R的輸出電流io過濾。如此一來，可避免在電流換相時，其感應電流I1、I2不連續所產生之高電感電壓之現象，即防止大突波(spike)。

第二換流單元16係為半橋換流器(half－bridge inverter)，包含兩個切換開關，分別為切換開關Q5及切換開關Q6。第二換流單元16用以當切換開關Q5或切換開 關Q6導通時，分別將流經第一直流反應單元L1與第二直流反應單元L2的第一感應電流I1與第二感應電流I2，轉換成低頻交流的輸出電流io，並供應至氬焊機的負載單元R。獲得能量的負載單元R將進一步執行焊接動作。

第一電流導引單元D5與第二電流導引單元D6都為一二極體，而每一個二極體分別並聯於第一直流反應單元L1與第二直流反應單元L2。第一電流導引單元D5提供一放電路徑給流經第一直流反應單元L1的第一感應電流I1，以進一步使第一感應電流I1保持連續，以及保持第一直流反應單元L1所儲存的能量。第二電流導引單元D6提供另一放電路徑給流經第二直流反應單元L2的第二感應電流I2，以進一步使第二感應電流I2保持連續，以及保持第二直流反應單元L2所儲存的能量。

其中，第一換流單元11內的切換開關Q1至Q4及第二換流單元16內的切換開關Q5、Q6可為一電晶體，利用電晶體的飽和與截止來達到切換開關的功能。而每一切換開關的動作時序係由一控制器(未繪示)所控制。

因此，為了更進一步闡述本發明的電源供應裝置的動作及每一切換開關切換的動作，請一併參考第二A~二H圖與第三圖所示。第二A~二H圖為本發明之動作電路示意圖，而第三圖為本發明之動作波形示意圖。

波形A表示切換開關Q1及Q4的切換時序。波形B表示切換開關Q2、Q3的切換時序。波形C表示切換開關Q5的切換時序。波形D表示切換開關Q6的切換時序。波形E表示輸出電流io的時序變化。

配合第三圖，參考第二A圖，在時間t1-t2中，變壓器12的一次側切換開關Q1、Q4導通，切換開關Q2、Q3截止。變壓器的二次側切換開關Q5導通，切換開關Q6截止。此時直流電壓源Vi透過變壓器12傳送能量，並對第一直流反應單元L1充電，使得流經第一直流反應單元L1的第一感應電流I1等於輸出電流io，此時的輸出電流io係為一正半週期。假設，第二直流反應單元L2已儲存上一狀態的能量，則此時第二直流反應單元L2會對第二電流導引單元D6放電，使得第二感應電流I2逐漸下降。

配合第三圖，參考第二B圖，在時間t2-t3中，變壓器12一次側的四個切換開關Q1~Q4全部截止，而進入死區時間(dead time)。同時，變壓器12二次側的切換開關Q5持續導通，而切換開關Q6持續截止。此時，變壓器12進入飛輪狀態(flywheel status)，而第一直流反應單元L1與第二直流反應單元L2進行放電，使得輸出電流io仍保持在正半週期，且等於第一感應電流I1。

配合第三圖，參考第二C圖，在時間t3-t4中，變壓器12一次側的切換開關Q2、Q3進入導通，而切換開關Q1、Q4保持截止。同時，變壓器12二次側的切換開關Q5持續導通，切換開關Q6持續截止。此時，直流電壓源Vi透過變壓器12傳送能量，並對第一直流反應單元L1充電，而第二直流反應單元L2持續進行放電。輸出電流io仍保持在正半週期，且等於第一感應電流I1。

配合第三圖，參考第二D圖，在時間t5-t6中，變壓器12一次側的切換開關Q1~Q4全部截止。變壓器12二次側的切換開關Q5、Q6導通，即處於交換期間Pc時。此時， 直流電壓源Vi停止傳送能量，且變壓器12失效，而第一直流反應單元L1開始進行放電，第二直流反應單元L2持續放電，輸出電流io等於第一感應電流I1。

配合第三圖，參考第二E圖，在時間t7-t8中，變壓器12一次側的切換開關Q1、Q4導通，切換開關Q2、Q3截止。同時，變壓器12二次側的切換開關Q6導通，切換開關Q5進入截止。此時直流電壓源Vi透過變壓器12傳送能量，並對第二直流反應單元L2充電，此時，第一直流反應單元L1會對第一電流導引單元D5放電，使得第一感應電流I1逐漸下降。另外，輸出電流io進入一負半週期，且隨著第二感應電流I2的增加而增加。

配合第三圖，參考第二F圖，在時間t8-t9中，變壓器12一次側的四個開關Q1~Q4全部截止，進入死區時間(dead time)。同時，變壓器12二次側的切換開關Q6持續導通，切換開關Q5持續截止。此時，變壓器12再次進入飛輪狀態(flywheel status)，而第一直流反應單元L1與第二直流反應單元L2進行放電，使得輸出電流io仍保持在負半週期，且等於第二感應電流I2。

配合第三圖，參考第二G圖，在時間t9-t10中，變壓器12一次側的切換開關Q2、Q3進入導通，切換開關Q1、Q4保持截止。變壓器12二次側的切換開關Q6保持導通，切換開關Q5保持截止。此時，直流電壓源Vi透過變壓器12傳送能量，並對第二直流反應單元L2充電，使得流經第二直流反應單元L2的第二感應電流I2等於輸出電流io，因此，此時的輸出電流io係為負半週期。而第一直流反應單元L1則持續進行放電。

配合第三圖，參考第二H圖，在時間t11-t12中，變壓器12一次側的切換開關Q1~Q4全部截止。變壓器12二次側的切換開關Q5、Q6導通。此時，直流電壓源Vi停止傳送能量，且變壓器12失效，使得第二直流反應單元L2進行放電，輸出電流io等於第二感應電流I2。

根據上述之切換開關Q1~Q6對應至輸出電流io之動作示意圖可知，當切換開關Q1導通時，輸出電流io便進入正半週期，當切換開關Q2截止時，輸出電流io便進入負半週期。其中，其中，Io為輸出電流io的最大穩態電流值，而Ic為輸出電流io在交換期間Pc下的電流值。

本發明內容所提供之優點在於，在輸出電流io的正半週路徑及負半週路徑上分別設置一電感器，以過濾通過電感器的電流。

本發明內容所提供之另一優點在於，在正半週路徑上的電感器及在負半週路徑上的電感器上，分別再並聯一二極體，以提供放電路徑給電感器上的感應電流，同時，保持電感器所儲存的能量。

所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。惟以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖示內容所為之等效結構變化，均同理包含於本發明之範圍內，合予陳明。

11‧‧‧第一換流單元

12‧‧‧變壓器

14‧‧‧橋式整流器

16‧‧‧第二換流單元

R‧‧‧負載單元

Vi‧‧‧直流電壓源

L1‧‧‧第一直流反應單元

L2‧‧‧第二直流反應單元

D5‧‧‧第一電流導引單元

D6‧‧‧第二電流導引單元

Q1~Q6‧‧‧切換開關

I1、I2‧‧‧感應電流

io‧‧‧輸出電流

AC1‧‧‧第一交流電壓

AC2‧‧‧第二交流電壓

第一圖為本發明電源供應裝置之電路示意圖；第二A~二H圖為本發明之動作電路示意圖；及 第三圖為本發明之動作波形示意圖。

11‧‧‧第一換流單元

12‧‧‧變壓器

14‧‧‧橋式整流器

16‧‧‧第二換流單元

R‧‧‧負載單元

Vi‧‧‧直流電壓源

L1‧‧‧第一直流反應單元

L2‧‧‧第二直流反應單元

D5‧‧‧第一電流導引單元

D6‧‧‧第二電流導引單元

Q1~Q6‧‧‧切換開關

I1、I2‧‧‧感應電流

io‧‧‧輸出電流

AC1‧‧‧第一交流電壓

AC2‧‧‧第二交流電壓

Claims (13)

1. 一種電源供應裝置，用以對一負載單元供電，包含：一第一換流單元，係將一直流電壓轉換成一第一交流電壓；一變壓器，其一次側連接於該第一換流單元，該變壓器降壓該第一交流電壓，並且於該變壓器的二次側輸出一第二交流電壓；一橋式整流器，連接於該變壓器的二次側，用以整流該第二交流電壓；一第一直流反應單元，連接於該橋式整流器的一輸出端，該第一直流反應單元根據該第二交流電壓以產生一第一感應電流；一第二直流反應單元，連接於該橋式整流器的另一輸出端，該第二直流反應單元根據該第二交流電壓以產生一第二感應電流；一第一電流導引單元，其第一端電性連接於該第一直流反應單元的第一端，其第二端電性連接於該第一直流反應單元的第二端；一第二電流導引單元，其第一端電性連接於該第二直流反應單元的第一端，其第二端電性連接於該第二直流反應單元的第二端；及一第二換流單元，包括一第一輸入端，一第二輸入端以及一輸出端，其第一輸入端連接於該第一直流反應單元，其第二輸入端連接於該第二直流反應單元，其輸出端連接於該負載單元，該第二換流單元轉換該第一 感應電流與該第二感應電流成為一輸出電流，用以供應給該負載單元。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應裝置，其中該第一換流單元係為一全橋換流器。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應裝置，其中該第二換流單元係為一半橋換流器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應裝置，其中該第一直流反應單元與該第二直流反應單元都為一電感器，其中該些電感器分別設置於該輸出電流的一正半週路徑及一負半週路徑上。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應裝置，其中該第一電流導引單元與該第二電流導引單元都為一對二極體。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應裝置，其中該橋式整流器為一全橋整流器。
7. 一種電源供應方法，係對一負載單元供電，該方法包含：提供一第一換流單元以轉換一直流電壓成為一第一交流電壓；提供一變壓器以轉換該第一交流電壓成為一第二交流電壓；提供一橋式整流器以整流該第二交流電壓，使該第二交流電壓運作於該負載單元之正半週期及負半週期，並且在該負載單元之正半週期與負半週期的路徑上分別設置一第一充放電元件以及一第二充放電元件； 於該些充放電元件上分別並聯一導流元件，使流經該些充放電元件之電流回流；提供一第二換流單元以轉換流經該些充放電元件之電流，來供應一輸出電流至該負載單元；以及其中，該第二換流單元包括一第一輸入端，一第二輸入端以及一輸出端，其第一輸入端連接於該第一充放電元件，其第二輸入端連接於該第二充放電元件，其輸出端連接於該負載單元，其中，當正半週期時，第一充放電元件穩定一正輸出電流，當負半週期時，第二充放電元件穩定一負輸出電流。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應方法，其中該第一換流單元係為一全橋換流器。
9. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應方法，其中該第二換流單元係為一半橋換流器。
10. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應方法，其中該些充放電元件係為一電感器。
11. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應方法，其中該些導流元件係為一二極體。
12. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應方法，更進一步包含提供一變壓器以耦合該交流電壓至該些充放電元件。
13. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應方法，其中該橋式整流器為一全橋整流器。